بررسی میزان رسانایی الکتریکی و گرمایی هوای موجود در جو زمین

هوا یکی از رایج‌ترین و مهم‌ترین رسانه‌های اطراف ماست، اما برخلاف فلزات، رسانایی الکتریکی و گرمایی بسیار پایینی دارد. شناخت ویژگی‌های حرارتی و الکتریکی هوا برای تحلیل پدیده‌های طبیعی مانند صاعقه، تخلیه الکتریکی، انتقال حرارت، طراحی تجهیزات الکتریکی و عایق‌کاری اهمیت زیادی دارد. در این مقاله، رسانایی الکتریکی و گرمایی هوا در شرایط مختلف جو زمین را به‌صورت کامل بررسی می‌کنیم.

1. ترکیب هوا و نقش آن در رسانایی

هوای جو زمین عمدتاً از موارد زیر تشکیل شده است:

• ۷۸٪ نیتروژن
• ۲۱٪ اکسیژن
• ۱٪ گازهای نجیب (آرگون، نئون، هلیوم و …)
• بخار آب (متغیر بین ۰ تا ۵٪)
• مقدار بسیار کم از دی‌اکسید کربن و ذرات معلق

گازهای موجود در هوا در حالت عادی آزادانه الکترون مبادله نمی‌کنند؛ بنابراین، هوا در شرایط طبیعی یک عایق الکتریکی بسیار خوب است. اما در شرایط خاص می‌تواند رسانا شود.

2. رسانایی الکتریکی هوا (Electrical Conductivity)

2-1. رسانایی بسیار کم در شرایط معمولی

در فشار و دمای استاندارد، رسانایی هوای خشک تقریباً:

σ≈10−14 تا 10−15 زیمنس بر متر

این مقدار نشان می‌دهد که:

✔ هوا تقریباً غیررسانا است
✔ مقاومت ویژه آن در حد ۱۰^۱۴ تا ۱۰^۱۶ اهم‌متر است
✔ در خطوط انتقال و تجهیزات الکتریکی نقش عایق طبیعی دارد

2-2. چرا هوا عایق است؟

علت اصلی:

• ملکول‌های گاز فاصله زیادی از هم دارند
• الکترون‌ها محکم به اتم‌های خود بسته شده‌اند
• یون‌های آزاد در هوا بسیار کم است
• برخورد مولکولی ضعیف است

به همین دلیل جریان الکتریکی نمی‌تواند آزادانه در هوا حرکت کند.

2-3. شرایطی که هوا به رسانا تبدیل می‌شود

هوا در شرایط زیر می‌تواند از یک عایق عالی به یک رسانای قوی تبدیل شود:

1. افزایش ولتاژ (Breakdown Voltage)

اگر شدت میدان الکتریکی از حد مشخصی عبور کند:

Ebreakdown​≈3×106 ولت بر متر

مولکول‌های هوا یونیزه شده و مسیر رسانا ایجاد می‌شود.

این پدیده در:

• صاعقه
• جرقه‌های الکتریکی
• اتصال کوتاه‌های شدید
• آزمایشگاه‌های فشار قوی

اتفاق می‌افتد.

2. افزایش دما

با بالا رفتن دما، سرعت مولکول‌ها بیشتر شده و یونیزاسیون افزایش می‌یابد:

✔ رسانایی هوا بیشتر می‌شود
✔ مقاومت کاهش می‌یابد

در آتش، شعله‌ها رسانایی بیشتری نسبت به هوای سرد دارند.

3. وجود رطوبت

رطوبت باعث می‌شود مولکول‌های آب یون‌های مثبت و منفی تولید کنند:

✔ هوای مرطوب رساناتر از هوای خشک است
✔ در روزهای شرجی خطر تخلیه الکتریکی بیشتر است

4. وجود ذرات باردار

ذرات گردوغبار، دود، نمک دریا و … با بارهای الکتریکی ترکیب می‌شوند و رسانایی هوا را بالا می‌برند.

5. تابش‌ها

اشعه‌های کیهانی، UV خورشید، گاما و منابع رادیواکتیو، هوا را یونیزه کرده و رسانا می‌کنند.

3. رسانایی الکتریکی هوا در ارتفاعات مختلف جو

3-1. تروپوسفر (۰–۱۲ کیلومتر)

• بیشترین رطوبت
• بیشترین فشار
• کمترین یونیزاسیون

رسانایی بسیار کم است مگر در زمان رعدوبرق.

3-2. استراتوسفر (۱۲–۵۰ کیلومتر)

• افزایش اشعه UV
• افزایش یون‌های مثبت و منفی

رسانایی کمی بیشتر از سطح زمین است.

3-3. یونوسفر (۵۰–۵۰۰ کیلومتر)

اینجا هوا تقریباً بسیار رسانا است:

✔ تابش خورشید باعث یونیزاسیون گسترده می‌شود
✔ امواج رادیویی در این لایه بازتاب می‌شوند
✔ رسانایی الکتریکی می‌تواند تا میلیارد برابر سطح زمین باشد

آیا میدان مغناطیسی سیم‌پیچ‌ها هوا را الکتریسیته‌ای می‌کند؟

✔ میدان مغناطیسی مستقیم → یونیزه‌کننده هوا نیست

میدان مغناطیسی (B-field)، حتی اگر بسیار قوی باشد، توانایی جدا کردن الکترون‌ها از مولکول‌های هوا را ندارد.
بنابراین:

• هوا در اطراف سیم‌پیچ رسانا نمی‌شود

• بار الکتریکی ناخواسته ایجاد نمی‌شود

• یونیزاسیون رخ نمی‌دهد

میدان مغناطیسی فقط بر ذرات باردار موجود نیرو وارد می‌کند، اما خودش ایجاد بار نمی‌کند.

پس چه زمانی هوا الکتریسیته‌ای یا رسانا می‌شود؟

هوا زمانی الکتریسیته‌ای می‌شود که یونیزه شود. یونیزه شدن تنها در اثر یکی از عوامل زیر است:

1. میدان الکتریکی شدید (نه مغناطیسی!)

اگر شدت میدان الکتریکی از حد شکست (Breakdown) عبور کند:

$$E_{\text{breakdown}}\approx 3\times {10}^6\text{ولت بر متر}$$

مولکول‌های هوا الکترون از دست می‌دهند و هوا رسانا می‌شود.
این دقیقاً همان چیزی است که در جرقه، صاعقه و تخلیه الکتریکی رخ می‌دهد.

⚠ سیم‌پیچ‌ها معمولاً چنین ولتاژهایی ندارند.

2. حرارت بسیار زیاد (پلاسما)

اگر سیم‌پیچ داغ شود (مثل کوره‌ها یا آرک‌ویلدرها):

• مولکول‌های هوا انرژی زیاد می‌گیرند

• الکترون‌ها جدا می‌شوند

• پلاسما تشکیل می‌شود

این یک رسانای قوی است، اما در موتور معمولی یا ترانس اتفاق نمی‌افتد.

3. جریان‌های بسیار زیاد و میدان مغناطیسی همراه با جرقه

اگر سیم‌پیچ آسیب ببیند و جرقه یا قوس الکتریکی ایجاد شود:

• جرقه میدان الکتریکی دارد، نه میدان مغناطیسی

• همان جرقه هوا را یونیزه می‌کند

• هوا رسانا می‌شود

این مربوط به خطای الکتریکی است، نه خود میدان مغناطیسی.

❌ میدان مغناطیسی سیم‌پیچ‌ها:

• هوا را یونیزه نمی‌کند

• هوا را رسانا نمی‌کند

• بار الکتریکی ایجاد نمی‌کند

✔ اما میدان الکتریکی قوی (High Voltage) یا گرمای شدید:

• می‌تواند هوا را به پلاسما تبدیل کند

• هوا رسانا می‌شود

• جریان عبور می‌کند

پس منبع الکتریسیته‌ای شدن هوا چیست؟

1. ولتاژ بالا → میدان الکتریکی قوی → یونیزه شدن هوا

2. جرقه → تخلیه الکتریکی → رسانا شدن لحظه‌ای هوا

3. حرارت شدید → پلاسما → رسانایی بالا

هیچ‌کدام از این‌ها مستقیماً از میدان مغناطیسی ناشی نمی‌شوند.

4. رسانایی گرمایی هوا (Thermal Conductivity)

4-1. مقدار رسانایی حرارتی هوا

در ۲۵ درجه سانتی‌گراد:

k≈0.026 وات بر متر کلوین

این مقدار بسیار کم است و هوا را به یک عایق حرارتی قوی تبدیل می‌کند.

4-2. چرا هوا رسانای گرمایی ضعیفی است؟

• فاصله زیاد مولکول‌ها
• برخورد کم بین مولکول‌ها
• چگالی پایین
• عدم وجود ساختار کریستالی (برخلاف جامدات)

به همین دلیل هوای ساکن بهترین عایق طبیعی است.

4-3. تأثیر دما بر رسانایی گرمایی

با افزایش دما:

• جنب‌وجوش مولکول‌ها بیشتر می‌شود
• برخوردها افزایش می‌یابد
• مقدار k کمی افزایش می‌یابد

اما همچنان نسبت به فلزات بسیار کم است.

4-4. تأثیر رطوبت بر انتقال حرارت

هوای مرطوب:

• چگالی بیشتری دارد
• ظرفیت حرارتی بیشتری دارد
• کمی رساناتر است

اما تفاوت آن جزئی است و هوا همچنان عایق محسوب می‌شود.

4-5. رسانایی گرمایی هوا در ارتفاعات مختلف

• سطح زمین: بیشترین چگالی → بهترین انتقال
• ارتفاعات میانی: کاهش چگالی → انتقال کمتر
• ارتفاعات بسیار بالا: تقریباً عایق کامل از نظر حرارتی

5. کاربردهای علمی و مهندسی

1. عایق‌های حرارتی ساختمان

هوا بین الیاف پشم‌شیشه یا پلی‌یورتان محبوس شده و نقش عایق دارد.

2. انتقال حرارت در تجهیزات الکتریکی

هوا در اطراف ترانس‌ها، الکتروموتورها و تابلوهای برق جریان دارد؛ اگر هوا جریان نداشته باشد، گرما دفع نمی‌شود.

3. الکتریسیته ساکن

هوای خشک → عایقی فوق‌العاده → تجمع بار
هوای مرطوب → تخلیه سریع‌تر بار

4. صاعقه

هوا در میدان‌های شدید یونیزه شده و تبدیل به یک رسانای چند هزار درجه‌ای می‌شود.

5. صنعت هوافضا

طراحی تجهیزات هواپیما و ماهواره نیازمند درک دقیق از رسانایی حرارتی و الکتریکی لایه‌های جو است.

جمع‌بندی

رسانایی الکتریکی هوا:

• در شرایط معمول: بسیار کم (عایق خوب)
• در رطوبت بالا، دمای زیاد یا تابش‌های قوی: افزایش
• در میدان‌های الکتریکی قوی: یونیزاسیون و تبدیل به رسانای عالی
• در یونوسفر: بسیار رسانا

رسانایی گرمایی هوا:

• بسیار پایین (k≈0.026 W/m·K)
• هوای ساکن بهترین عایق حرارتی طبیعی
• رطوبت و دما اثر نسبی دارند ولی کم

نتیجه کلی:

هوا هم از نظر الکتریکی و هم از نظر گرمایی یک عایق قوی است، مگر در شرایط غیرعادی مانند صاعقه یا محیط‌های یونیزه. درک این ویژگی‌ها برای تحلیل پدیده‌های طبیعی و طراحی سیستم‌های الکتریکی و حرارتی اهمیت اساسی دارد.